[發明專利]一種用于天線跟蹤穩定平臺的捷聯慣導初始對準方法

有效

• 申請號: 201310569032.9
• 申請日: 2013-11-15
• 公開（公告）號: CN103557876A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 張華強;許敬;李東興
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是一種導航領域的初始姿態確定方法，特別是涉及一種應用于天線跟蹤穩定平臺的捷聯慣導轉動基座初始對準方法。

背景技術

慣性導航系統根據測得的移動載體的加速度，通過積分運算求得載體的速度與位置，因此，必須知道積分的初值即載體的初始速度和初始位置。此外，以地理坐標系為導航坐標系的慣性導航系統中，無論物理平臺還是數學平臺都是測量加速度的基準，而且平臺必須準確地對準和跟蹤地理坐標系，以避免由平臺誤差引起加速度計測量誤差。在慣導系統加電啟動后，平臺的三軸指向是任意的，因此在系統進入導航工作狀態前，必須將平臺的三軸指向進行對準，此過程即為慣導系統的初始對準。初始對準的精度直接關系到慣導系統的工作精度。因此，初始對準是慣性導航系統的關鍵技術之一。

根據相關文獻研究可知，兩位置或多位置初始對準通過改變方位角可使系統狀態變量變得完全可觀測，此時可有效的提高初始對準精度。分析發現最優二位置初始對準在引入第二位置（即方位角改變180°）后，系統狀態變量估計精度明顯提高，這說明方位角的改變能有效提高系統誤差狀態量的估計精度。在多位置初始對準中方位角只改變了幾個位置，因此若能夠在更多的位置改變方位角，系統狀態變量估計精度將會進一步提高。

旋轉調制式慣導原理簡單，但實現方案很多。按旋轉軸進行區分，可分為單軸旋轉調制、雙軸旋轉調制；從旋轉級別來分，可分為系統級旋轉調制方法和器件級旋轉調制方法。系統級旋轉調制是將整個IMU作為一個整體來旋轉，其優點為工程實現簡單，慣性器件正交性容易保證。而器件級旋轉調制方法中，慣性器件單獨進行殼體翻轉，存在慣性器件正交性難以保證的問題。

發明內容

本發明的目的為在最優多位置初始對準技術研究的基礎上進一步提高捷聯慣導系統初始對準的精度與速度。本發明的技術解決方案為：提出了一種應用于天線跟蹤穩定平臺的捷聯慣導轉動基座初始對準方法，其特征在于在不改變系統現有硬件結構條件下，可充分利用天線跟蹤穩定平臺的結構特點進行轉動基座初始對準，有利于提高捷聯慣導系統的可觀測性，從而有效地提高了捷聯慣導系統初始對準的對準精度；其具體步驟如下：

步驟一、將捷聯慣導安裝到天線座旋轉底盤上，捷聯慣導到天線座底盤旋轉中心的距離為r；

步驟二、利用全球定位系統GPS確定載體所在位置的經度λ、緯度L；

步驟三、根據所確定的經度、緯度信息以及慣導系統慣性器件的輸出進行粗對準，得到慣性測量單元姿態矩陣的近似估計值；

步驟四、啟動天線座底盤按照逆時針方向旋轉，旋轉角速率記為ω，并控制天線座底盤旋轉整數圈，旋轉圈數記為n；

步驟五、按照步驟三所確定的旋轉方案旋轉的同時，利用粗對準得到的姿態矩陣、慣性測量單元中陀螺實時輸出的角速度信息和加速度計實時輸出的比力信息，以更新慣性測量單元的姿態矩陣；

步驟六、通過卡爾曼濾波完成捷聯慣導轉動基座對準，具體步驟如下：

轉動基座捷聯慣導誤差建模

首先，建立旋轉捷聯慣導系統的平臺誤差角方程，旋轉捷聯慣導從慣性測量單元中獲取角速度和比力信息，經過可實現慣性器件敏感系s到載體坐標系b的轉換，轉換后的捷聯解算流程與常規的捷聯慣導系統是一致的，因此，其平臺誤差角方程形式仍為：

式中，為失準角矢量，為地球自轉角速率在導航坐標系下的投影，為導航坐標系相對于地球坐標系在導航坐標系下的投影，為陀螺等效到導航坐標系下的誤差；

其次，建立旋轉捷聯慣導系統的速度誤差方程，由比力方程可得速度誤差方程為：

式中，為載體在導航坐標系下的速度，為加速度計輸出的比力；

最后，建立旋轉捷聯慣導系統的位置誤差方程，慣導系統位置誤差方程為：

式中，和分別為東向和北向速度誤差，和分別為東向和北向速度，為地球子午圈主曲率半徑，為地球卯酉圈主曲率半徑，為高度，為載體所在地球緯度；

對于旋轉基座捷聯慣導系統初始對準來講，可以不考慮軸方向的加速度和速度，即可以認為，，同時捷聯慣導系統本身不存在相對于地球的線速度，因此可以略去以上慣導系統誤差方程中的有關項，可得旋轉基座捷聯慣導初始對準系統的誤差方程如下：

捷聯慣導平臺誤差角簡化方程：

捷聯慣導速度誤差簡化方程：

捷聯慣導位置誤差簡化方程：